循環(huán)荷載作用下軟土中單樁承載及變形特性數(shù)值試驗研究

唐益群，尹葉鵬

（1. 同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院地下建筑與工程系，上海 200092；2. 同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，上海 200092）

循環(huán)荷載作用下軟土中單樁承載及變形特性數(shù)值試驗研究

唐益群1,2，尹葉鵬1

（1. 同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院地下建筑與工程系，上海 200092；2. 同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，上海 200092）

豎向循環(huán)荷載下，軟土地基中的單樁承載及變形特性不同于靜荷載情況。利用FLAC3D軟件開展了單樁在循環(huán)荷載作用下承載及變形特性的數(shù)值試驗，探究了不同循環(huán)荷載比、樁材料及樁端持力層對單樁承載及變形的影響規(guī)律。實(shí)驗結(jié)果表明：樁側(cè)摩阻力隨著循環(huán)荷載比增加呈現(xiàn)衰減的變化趨勢，當(dāng)循環(huán)荷載比小于臨界循環(huán)荷載比時，衰減趨勢不明顯。樁材料的不同對單樁側(cè)端分擔(dān)比（循環(huán)后樁側(cè)阻力與循環(huán)后樁端阻力的比值）、端阻循環(huán)比（循環(huán)后樁端阻力與循環(huán)前樁端阻力的比值）影響較小，側(cè)端分擔(dān)比及端阻循環(huán)比隨著樁端持力層模量的增大而減小。說明在工程實(shí)踐中，通過控制循環(huán)荷載比小于臨界循環(huán)荷載比，選擇較大模量的樁端持力層對于改善單樁承載及變形特性效果明顯，而提高樁材料的模量對其作用甚微。

軟土；沉降變形；循環(huán)荷載；單樁承載；數(shù)值試驗

隨著我國高速鐵路、風(fēng)力發(fā)電及海洋工程的新建與發(fā)展，樁基礎(chǔ)在高鐵、風(fēng)和海浪等周期性循環(huán)荷載作用下的承載及變形特性是設(shè)計中的一項重要內(nèi)容[1]。長期循環(huán)荷載作用下，樁基的承載力可能發(fā)生變化且會產(chǎn)生一定的累積沉降變形。對于高速鐵路、風(fēng)力發(fā)電機(jī)及海洋鉆井平臺這些對基礎(chǔ)不均勻沉降非常敏感的構(gòu)造物來說，合理確定單樁在循環(huán)荷載作用下的承載力及沉降值具有十分重要的工程意義。

已有研究表明，相對于靜力荷載，循環(huán)荷載作用下單樁的承載及變形特性有所不同，稱為循環(huán)荷載效應(yīng)，主要體現(xiàn)在累積沉降變形、承載力衰減及剛度退化三個方面[2~5]。Poulos等在砂中對單樁進(jìn)行軸向反復(fù)加載試驗，研究了樁頂位移及其速率、樁身軸力分布、樁側(cè)摩阻力和殘余強(qiáng)度的影響因素，結(jié)果表明，主要影響因素是循環(huán)荷載的類型、荷載幅值和加載次數(shù)[6]。韓英才等在砂中進(jìn)行了帶承臺的樁基模型動力試驗，研究表明了在循環(huán)荷載作用下，樁的動力反應(yīng)呈現(xiàn)明顯的非線性變化特征，樁的動剛度隨著動荷載幅值增大而減小，累積變形隨幅值增大而增加[7]。彭雄志在軟土中進(jìn)行單樁的軸向動靜荷載受壓模型試驗研究，結(jié)果表明，隨著動荷載幅值增大，單樁承載力減小，樁頂累積變形增大，動剛度減小[8]。

由于模型試驗的工作量大，影響因素多，可控性較差，目前國內(nèi)外主要針對荷載類型的影響開展研究。本文利用FLAC3D軟件對不同循環(huán)荷載比CLR、樁材料及樁端持力層條件下單樁力學(xué)特性規(guī)律進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗研究，旨在揭示荷載幅值、樁材料及樁端持力層對單樁承載及變形特性的影響效果，為軟土地區(qū)承受循環(huán)荷載作用樁基礎(chǔ)的設(shè)計提供建設(shè)性的依據(jù)與建議。

1 三維計算模型與參數(shù)選取

1.1 三維計算模型

本文數(shù)值試驗采用與物理模擬實(shí)驗相一致的模型。模型中，樁徑D=0.04m，樁長L=0.8m，樁徑比為20:1，地基軟土水平寬B=0.8m，深d=1m?？紤]到分析問題的軸對稱性，為節(jié)省計算的內(nèi)存和時間，使數(shù)值實(shí)驗?zāi)芨咝У剡M(jìn)行，采用1/4模型進(jìn)行三維建模計算，所建三維模型如圖1所示。

圖1 數(shù)值試驗三維模型Fig.1 Three-dimensional model of numerical experiments

1.2 參數(shù)選取

數(shù)值試驗中土體材料為上海地區(qū)第④層淤泥質(zhì)軟黏土，采用摩爾—庫倫彈塑性模型進(jìn)行模擬，軟黏土的物理力學(xué)參數(shù)值的大小通過室內(nèi)實(shí)驗測試得到，計算參數(shù)為：彈性模量0.95MPa、泊松比0.4、粘聚力11kPa、內(nèi)摩擦角10.7、剪脹角0、密度1720kg/m3。

樁體材料為有機(jī)玻璃，采用線彈性模型進(jìn)行模擬，計算參數(shù)為：靜彈性模量3.15GPa、動彈性模量4.35GPa、泊松比0.25、密度1890kg/m3。

樁土界面的物理力學(xué)參數(shù)相對來說較難確定，要準(zhǔn)確確定其值的大小需要做大量的樁土界面剪切實(shí)驗。目前，國內(nèi)外學(xué)者在這方面積累了寶貴經(jīng)驗，可以借鑒相關(guān)的研究成果。Potyondy等的研究結(jié)果表明，對于黏土而言，預(yù)制樁的樁土界面的粘聚力c、內(nèi)摩擦角φ值可以取與樁相鄰?fù)翆觕、φ的0.5倍左右[9]。FLAC3D中必須設(shè)定界面的法向剛度Kn和切向剛度Ks，其值的大小可以取周圍最硬相鄰區(qū)域的等效剛度的10倍，其表達(dá)式為：

式中，K為體積模量，G為剪切模量，ΔZmin為界面法向方向上連接區(qū)域的最小尺寸。綜上所述，樁土界面計算參數(shù)取值為：法向剛度400MPa、切向剛度400MPa、粘聚力5.5kPa、內(nèi)摩擦角5.35、剪脹角0。

1.3 循環(huán)荷載定義

樁頂承受靜荷載及循環(huán)荷載的大小是影響樁基承載及變形特性的重要因素，所以合理確定其值的大小顯得至關(guān)重要。以單樁極限承載力的一定比例值作為施加在樁頂上的荷載是一種相對合理的方法。假定Pu為單樁豎向極限承載力，循環(huán)荷載的大小為Ps，靜荷載的大小為Pc。現(xiàn)定義循環(huán)荷載比CLR (cyclic load ratio)和靜荷載比SLR (static load ratio)的大小為：CLR=Pc/Pu、SLR=Ps/Pu。

單樁極限承載力Pu根據(jù)荷載—位移曲線來確定，本次數(shù)值試驗的荷載—位移曲線如圖2所示，單樁承載力約為800N。

圖2 樁頂荷載—位移曲線Fig.2 Load and displacement curve of compression load tests on the pile

2 數(shù)值試驗結(jié)果與分析

循環(huán)荷載下單樁承載及變形特性的改變稱為單樁的循環(huán)效應(yīng)，循環(huán)效應(yīng)包括樁側(cè)摩阻力衰減和循環(huán)累積變形兩個方面[10]?，F(xiàn)定義單樁的側(cè)端分擔(dān)比ζ表示樁側(cè)摩阻力衰減效應(yīng)，定義單樁的端阻循環(huán)比η表示循環(huán)累計變形效應(yīng)，具體表達(dá)式為：ζ=Q側(cè)/Q端×100%、η=Q端/Q端×100%，式中，Q側(cè)為循環(huán)后的樁側(cè)阻力，Q端為循環(huán)后的樁端阻力，Q端為循環(huán)前的樁端阻力。

2.1 不同循環(huán)荷載比影響結(jié)果分析

通過數(shù)值實(shí)驗探究單樁在相同靜荷載比SLR，不同循環(huán)荷載比CLR作用下的承載及變形特性，得到如圖3所示的實(shí)驗結(jié)果。從圖可以看出，單樁的側(cè)端分擔(dān)比ζ隨CLR增大而減小，端阻循環(huán)比η隨CLR增大而增大，這說明循環(huán)荷載比CLR的大小對樁側(cè)摩阻力衰減和循環(huán)累積變形的產(chǎn)生有著明顯的影響。當(dāng)CLR≤0.3，側(cè)端分擔(dān)比ζ及端阻循環(huán)比η隨CLR增加的變化速率較小，但是當(dāng)CLR>0.3時，側(cè)端分擔(dān)比ζ及端阻循環(huán)比η隨CLR增加的變化速率增大。由此可見，樁側(cè)摩阻力衰減和循環(huán)累積變形效應(yīng)的產(chǎn)生存在臨界循環(huán)荷載比CLRcr，本次數(shù)值實(shí)驗臨界循環(huán)載荷載比CLRcr=0.3。

圖3 不同循環(huán)荷載比CLR對側(cè)端分擔(dān)比ζ及端阻循環(huán)比η的影響Fig.3 The influence of cyclic loading ratio on the skin-tip sharing ratio and the tip resistance cyclic ratio

2.2 不同樁材料影響結(jié)果分析

為探究不同的樁材料對側(cè)端分擔(dān)比ζ、端阻循環(huán)比η的影響規(guī)律，樁材料分別采用有機(jī)玻璃（E=3.15GPa）、混凝土（E=30GPa）及鋼材（E=210MPa）進(jìn)行模擬，得到了如圖4所示的實(shí)驗結(jié)果。從圖可以看出，同一循環(huán)荷載比CLR條件下，樁材料的不同對單樁的側(cè)端分擔(dān)比及端阻循環(huán)比影響較小，曲線基本保持水平變化。這說明，樁材料模量的提高對改善樁側(cè)摩阻力循環(huán)衰減效應(yīng)和累積變形的效果不是特別顯著。試驗結(jié)果也進(jìn)一步說明，循環(huán)荷載比CLR的大小對側(cè)摩阻力衰減和循環(huán)累積變形產(chǎn)生有非常大的影響，當(dāng)CLR=0.9時，樁側(cè)甚至產(chǎn)生較大的負(fù)摩阻力，極大惡化了單樁的承載特性。

2.3 不同持力層性質(zhì)影響結(jié)果分析

為探究不同模量樁端持力層對單樁側(cè)端分擔(dān)比ζ、端阻循環(huán)比η的影響，樁端土體模量分別采用0.95MPa、10MPa及100MPa進(jìn)行模擬，得到如圖5所示的實(shí)驗結(jié)果。從圖可以看出，循環(huán)荷載比CLR一定時，隨著樁端持力層模量的增加，側(cè)端分擔(dān)比及端阻循環(huán)比不斷減小。樁端土體模量達(dá)到100MPa時，側(cè)端分擔(dān)比隨循環(huán)荷載幅值CLR的變化基本保持不變，ζ值都非常接近0.25，樁頂荷載大部分由樁端土體承擔(dān)。分析結(jié)果表明，在深厚軟土地區(qū)樁基礎(chǔ)工程設(shè)計中，選擇較堅硬的持力層能夠很好改善循環(huán)荷載作用下樁側(cè)摩阻力衰減及累積變形效應(yīng)。

圖4 不同樁材料對側(cè)端分擔(dān)比(a)及端阻循環(huán)比(b)的影響規(guī)律Fig.4 The influence of pile material on the skin-tip sharing ratio (a) and the tip resistance cyclic ratio (b)

圖5 不同持力層性質(zhì)對側(cè)端分擔(dān)比(a)及端阻循環(huán)比(b)的影響Fig.5 The influence of bearing stratum on the skin-tip sharing ratio (a) and the tip resistance cyclic ratio (b)

3 結(jié)論與建議

本文采用FLAC3D軟件對循環(huán)荷載作用下軟土中單樁承載及變形特性進(jìn)行數(shù)值試驗，開展了不同循環(huán)荷比CLR、樁材料及樁端土體模量對單樁承載及變形特性影響規(guī)律研究。得到以下結(jié)論與建議：

（1）存在一臨界循環(huán)荷載比CLRcr，當(dāng)循環(huán)荷載小于該值時，單樁不產(chǎn)生明顯的側(cè)摩阻力衰減和循環(huán)累積變形效應(yīng)，本次試驗的臨界循環(huán)荷載比為0.3。

（2）側(cè)端分擔(dān)比ζ隨CLR增大而減小，端阻循環(huán)比η隨CLR增大而增大；樁材料的不同對單樁的ζ及η影響變化較小，曲線基本保持水平變化；而ζ及η隨樁端土體模量的增加而減小。

（3）循環(huán)荷載比的大小、樁端持力層性質(zhì)對單樁承載及變形特性影響較大，而樁材料對其影響較小。工程實(shí)踐中，通過控制循環(huán)荷載比小于CLRcr，選擇較大模量的樁端持力層對于改善單樁承載及變形特性效果明顯，而提高樁材料的模量對其作用甚微。

（4）隨著我國高速鐵路、風(fēng)力發(fā)電及海洋工程的建設(shè)快速發(fā)展，需要對該問題開展更深入的研究，以滿足國家重大工程建設(shè)的需求。

References)

[1] 章敏,王星華,楊光程,等. 循環(huán)荷載作用下單樁動力模型試驗與樁—土界面特性研究[J]. 巖土力學(xué),2013,34(4):1037-1044.

Zhang M, Wang X H, Yang G C, et al. Study of dynamic model testing of single pile and behaviors of pile-soil interface under cyclic load[J]. Rock and Soil Mechanics, 2013,34(4):1037-1044.

[2] Briaud J L, Felio G Y. Cyclic axial loads on piles: Analysis of existing data[J]. Canadian Geotechnical Journal, 1986,23(3):362-371.

[3] 楊龍才,郭慶海,周順華,等. 高速鐵路橋樁在軸向循環(huán)荷載長期作用下的承載和變形特性試驗研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2005,24(13):2362-2368.

Yang L C, Guo Q H, Zhou S H, et al. Dynamic behaviors of pile foundation of high-speed railway bridge under long-term cyclic loading in soft soil[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2005,24(13):2362-2368.

[4] 黃雨,柏炯,周國鳴,等. 單向循環(huán)荷載作用下飽和砂土中單樁沉降模型試驗研究[J]. 巖土工程學(xué)報,2009,31(9):1440-1444.

Huang Y, Bai J, Zhou G M, et al. Model tests on settlement of a single pile in saturated sand under unilateral cyclic loading[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2009,31(9):1440-1444.

[5] 朱斌,任宇,陳仁朋,等. 豎向下壓循環(huán)荷載作用下單樁承載力及累積沉降特性模型試驗研究[J]. 巖土工程學(xué)報,2009,31(2):186-193.

Zhu B, Ren Y, Chen R P, et al. Model test on bearing capacity and accumulated settlement of single pile subjected to axial cyclic loading[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2009,31(2):186-193.

[6] Poulos H G, Douri R H. Predicted and observed cyclic performance of Piles in calcareous sand[J]. Journal of Geotechnical Engineering, 1995,121(1):1-16.

[7] 韓英才, Novak M. 單樁非線性振動實(shí)用分析方法的研究[J]. 土木工程學(xué)報,1989,22(3):39-46.

Han Y C, Novak M. Available method for nonlinear vibrationanalysis of single piles[J]. Journal of Civil Engineering, 1989,22(3):39-46.

[8] 彭雄志. 軸向循環(huán)荷載作用下樁的動力特性研究[D]. 成都:西南交通大學(xué),2000.

Peng X Z. The research of dynamic performance of the axial pile under circulating load[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2000.

[9] Potyondy J G. Skin friction between various soils and construction materials[J]. Geotechnique, 1961,11(4):339-353.

[10] 任宇. 長期豎向循環(huán)荷載作用下樁的變形特性試驗及理論研究[D]. 杭州:浙江大學(xué),2013.

Ren Y. Model test and theoretical study on deformation behavior of single piles to long-term cyclic axial loading [D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2013.

Numerical analysis of the bearing and deformation characteristics of a single pile in soft soil under cyclic load

TANG Yi-Qun1,2, YIN Ye-Peng1
(1. Department of Geotechnical Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China; 2. Key Laboratory of Geotechnical Engineering of Education Ministry, Tongji University, Shanghai 200092, China)

Under a vertical cyclic load, the bearing and deformation characteristics of a single pile in a soft soil foundation are different from the conditions under static load. Numerical experiments on the bearing and deformation characteristics of a single pile under the cyclic load were carried out using FLAC3D software. The influences of the cyclic loading ratio (CLR), pile material, and bearing stratum on the bearing and deformation characteristics of a single pile were studied. The results show: pile skin friction decreased with increase in the CLR, and the attenuation trend was not obvious when the cyclic loading ratio was less than the critical cyclic loading ratio. The influence of the pile material on the skin-tip sharing ratio (ζ : the ratio of pile skin friction and pile tip resistance after cyclic loading is applied) and the tip resistance cyclic ratio (η : the ratio of pile tip resistance before the cyclic loading is applied and pile tip resistance after cyclic loading is applied) is not obvious. In this case, ζ and η decrease with increase of the modulus of the bearing stratum. This indicates that in engineering practice, the bearing and deformation characteristics of a single pile could be improved by selecting a cyclic loading ratio that is less than the critical CLR, and selecting a bearing stratum with great modulus, but not by improvement of the pile modulus.

soft soil; subsidence deformation; cyclic load; single pile bearing; numerical analysis

P642.5

A

2095-1329(2017)01-0083-04

10.3969/j.issn.2095-1329.2017.01.019

2017-01-11

修回日期: 2017-02-15

唐益群(1952-),男,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事城市地質(zhì)與工程環(huán)境效應(yīng)及地面沉降控制等研究.

電子郵箱: tangyiqun2@#edu.cn

聯(lián)系電話: 021-65983397

國家自然科學(xué)基金項目(41572285)